## Perancangan Simulasi
Hardware-In-The-Loop Untuk Sistem Manajemen Baterai
Muhammad Fathir*, Reza Fauzi Iskandar, Indra Wahyudin Fathonah
Jurusan Teknik Fisika, Universitas Telkom, Kota Bandung, Indonesia, 40257
Article Information Abstract Article history: Received August 19 th , 2021 Received in revised form August 24 th , 2021
Accepted August 29 th , 2021
Keywords: Battery
Management System, Bidirectional Converter, Cell Balancing, DC Microgrid, Hardware-in-the-Loop In a Microgrid system that relies on renewable energy generation, one of the most important constituent systems is the Battery Energy Storage System because of its vital role in maintaining the stability of the Microgrid in providing power to the load. However, to operate the battery, a Battery Management System is needed to  ensure  the  battery  operates  at  the  desired  working  range,  so  that  battery reliability can be maintained. To determine the behavior of the Microgrid and the designed BMS in accordance with the desired specifications, a Hardware-inthe- Loop (HIL) Simulation has been designed using Simulink to model a DC Microgrid which  consists  of  several  sub-systems  such  as:  An  ideally  designed  generator and load as a tester, a bidirectional buck and boost converter with a PI controller, and a battery system equipped with a Switched Shunt Resistor Cell Balancing type, all controlled using the BMS algorithm implemented on Arduino. From the test results, it is found that HIL can communicate with good QoS on various inputs as long as the Arduino sample time meets. Then the PI controller with HIL was able  to  improve  converter  performance  and  also  succeeded  in  controlling  cell balancing  with  the  efficiency  of  charging  and  idle  modes  of  99%  and  99.4% respectively. Finally, in testing the integrated system, the BMS can maintain the performance of the Microgrid with bus voltage and battery current parameters in various SoC conditions and generator voltage fluctuations, even though there are high voltage transients. Informasi Artikel Abstrak Proses artikel: Diterima 19 Agustus 2021
Diterima dan direvisi dari 24 Agustus 2021
Accepted 29 Agustus 2021
Kata kunci: Bidirectional
Converter, Cell Balancing, Hardware-in-the-Loop, Mikrogrid DC, Sistem Manajemen Baterai, Dalam  sistem  Mikrogrid  yang  mengandalkan  pembangkit  energi  terbarukan, salah  satu  sistem  penyusun  terpenting-nya  ialah  Sistem  Baterai  Penyimpan Energi  dikarenakan  perannya  yang  vital  untuk  menjaga  stabilitas  Mikrogrid dalam  penyediaan  daya  ke  beban.  Namun  untuk  mengoperasikan  baterai, diperlukan  sebuah  Sistem  Manajemen  Baterai  untuk  memastikan  baterai beroperasi  pada  rentang  kerja  yang  diinginkan,  sehingga  keandalan  baterai dapat  terjaga.  Untuk  mengetahui  perilaku  Mikrogrid  beserta  BMS  yang dirancang  telah  sesuai  dengan  spesifikasi  yang  diinginkan,  telah  dirancang Simulasi Hardware-in-the-Loop (HIL) menggunakan Simulink untuk memodelkan Mikrogrid  DC  yang  terdiri  dari  beberapa  sub-sistem  seperti:  Pembangkit  dan beban yang dirancang secara ideal sebagai penguji, sebuah bidirectional buck and  boost  converter  dengan  pengontrol  PI,  dan  sebuah  sistem  baterai  yang dilengkapi Cell Balancing bertipe Switched Shunt Resistor, seluruhnya dikontrol menggunakan algoritma BMS yang diimplementasikan pada Arduino. Dari hasil pengujian,  diperoleh  HIL  dapat  berkomunikasi  dengan  QoS  yang  baik  pada berbagai  input  selama  waktu  cuplik  Arduino  memenuhi.  Kemudian  diperoleh pengontrol PI dengan HIL mampu meningkatkan performansi converter dan juga berhasil  mengontrol  cell  balancing  dengan  efisiensi  mode  charging  dan  idle masing-masing  99%  dan  99.4%.  Terakhir  pada  pengujian  sistem  terintegrasi, BMS  dapat  menjaga  performa  Mikrogrid  dengan  parameter  tegangan  bus  dan arus  baterai  pada  variasi  kondisi  SoC  dan  fluktuasi  tegangan  pembangkit, meskipun terdapat transien tegangan yang tinggi.

## JOURNAL OF ENERGY, MATERIAL, AND INSTRUMENTATION TECHNOLOGY
Journal Webpage https://jemit.fmipa.unila.ac.id/
Journal of Energy, Material, and Instrumentation Technology, Vol 2. No. 3, 2021
Fathir M., Iskandar R. F., dan Fathonah I. W., Simulasi Hardware-in-the-Loop untuk Li-ion Battery Management System pada Mikrogrid DC, Journal of Energy, Material, and Instrumentation Technology , Vol. 2 No. 3, 2021

## 1. Pendahuluan
Mikrogrid  merupakan  sistem  distribusi  daya  terlokalisasi  yang  mampu  berdiri  sendiri  dan  dapat  berjalan secara  pararel  dengan/  tanpa  terhubung  dengan  jala-jala  PLN.  Salah  satu  kelebihan  utama  penggunaan  sistem Mikrogrid yakni;  menurunkan  rugi-rugi  daya  transmisi, meningkatkan  reabilitas  dan  kestabilan  karena  terpisah dengan grid sentral yang sarat disturbance, serta mampu meningkatkan integrasi sumber energi terbarukan seperti energi solar dan angin (Car et al., 2017). Khusus untuk sumber energi dari sel surya dengan sistem Mikrogrid DC, penggunaan  sistem  Mikrogrid  DC  mampu  meningkatkan  efisiensi  dari  sumber  hingga  6-8  %.  Selain  itu  dengan tidaknya converter DC/AC ataupun AC/DC pada bagian distribusi, maka rugi-rugi konversi mampu ditekan dari rata rata 32% menjadi 10% (Winasis et al., 2018). Beberapa komponen penting penyusun sebuah sistem Mikrogrid ialah  sisi  pembangkitan  energi  listrik,  converter  tegangan,  jala-jala  utilitas,  Mikrogrid  Controller  dan  sistem penyimpan  energi  (Car  et  al.,  2017).  Melihat  tren  saat  ini,  dari  semua  komponen  penyusun  Mikrogrid  sistem penyimpanan energi berbasis baterai menjadi lebih relevan dan sangat penting dengan meningkatnya penggunaan energi baru terbarukan seperti tenaga surya dan angin. Baterai menjadi krusial bagi sistem dikarenakan sumber energi  terbarukan  sangat  fluktuatif  dan  intermittent  (Kim  et  al.,  2018).  Dengan  adanya  baterai,  maka  kelebihan energi yang dihasilkan dapat tersimpan dan dapat digunakkan jika sistem pembangkitan tidak mampu memenuhi permintaan beban, atau dengan kata lain baterai menjadi penopang kestabilan grid.
Namun, baterai pun memiliki beberapa kekurangan. Baterai memiliki lifespan dan cycle yang terbatas, dan kedua  hal  ini  terus  berkurang  akibat  charging-discharging  yang  tidak  dijaga  sehingga  merusak  baterai,  seperti mengalami  over-charging  dan  over-discharging.  Selain  itu,  temperatur,  aging,  dan  self-discharge  juga  dapat mempengaruhi kinerja baterai dalam penyediaan daya. Untuk itulah, diperlukan apa yang disebut dengan Sistem Manajemen Baterai (BMS) guna tetap menjaga performansi baterai sekaligus menjaga lifespan dan cycle agar tidak terdegredasi, sehingga reabilitas Mikrogrid dapat terjaga. Untuk merancang BMS yang baik, salah satu metode yang sering digunakkan dan low-cost ialah menggunakan simulasi untuk mensimulasikan baik perilaku baterai dan efek penerapan algoritma BMS terhadap performa baterai. Penelitian yang dilakukan selama ini ialah membuat simulasi hanya  dalam  software  tanpa  mempertimbangkan  bagaimana  performa  perangkat  keras  seperti  sistem  kontroler. Untuk  itu,  simulasi  Hardware-in-the-loop  (HIL)  mampu  menjadi  solusi  untuk  mensimulasikan  kontroler  pada berbagai variasi input dan algoritma dikarenakan kontroler seolah dapat berinteraksi dengan plant nyata yang pada dasarnya hanyalah berbentuk virtual atau simulasi.
Atas dasar hal itulah, pada penelitian ini akan dilakukan perancangan sebuah simulasi HIL yang akan berfokus untuk  mensimulasikan  sisi  battery  energy  storage  system yang  terdiri  dari  sebuah  sistem  baterai,  converter  dan sistem manajemen baterai pada Mikrogrid DC. Sebagai sistem kontrol terbenam sistem manajamen baterai akan dipilih development board Arduino, hal ini dikarenakan selain harganya yang terjangkau dibandingkan DSP ataupun FPGA, juga masih minimnya penelitian mengenai HIL berbasis Arduino hingga saat ini (Biswas et al., 2018). Sehingga dengan  dilakukannya  penelitian  ini,  diharapkan  akan  menjadi  pembuka  potensi  penelitian  lebih  lanjut  dan terjangkau untuk dilakukan pada penelitian yang akan datang.

## 2. Deskripsi Sistem
Penelitian ini dilakukan dengan perancangan sistem Mikrogrid yang terdiri dari: pembangkit, beban, converter, baterai  dan  ssitem  manajemen  baterai.  Sistem  manajemen  baterai  akan  diimplementasikan  pada  Arduino  Mega 2560, sementara sub-sistem lain akan diimplementasikan pada Matlab-Simulink. Setelah dilakukan perancangan maka selanjutnya sistem akan diuji dengan variasi parameter dan pengambilan data.

## 2.1 Perancangan Simulasi Hardware-in-the-Loop
Set-up  percobaan  simulasi  HIL  menggunakan  model  plant  yang  akan  disimulasikan  pada  Simulink Environment  sementara  embedded  system  control  akan  diimplementasikan  menggunakan  Arduino  Development Board  dengan  jenis  Arduino  Mega  2560  Rev3.  Agar  antara  Arduino  dan  Simulink  dapat  berkomunikasi  dengan protokol USART, digunakan library Instrument Control dengan protokol komunikasi serial. Tampilan dari sub-sistem komunikasi data antara Simulink dan Arduino dapat dilihat pada Gambar 1.
Fathir dkk, 2021/ J. Energy Mater. Instrum. Technol. Vol. 2 No. 3, 2021
Gambar 1. Tampilan blok sub-sistem komunikasi Arduino-Simulink.
Gambar 2. Topologi Mikrogrid DC yang diajukan.
Blok pengiriman data dapat dibagi kedalam tiga bagian, yakni bagian pengiriman data, penerima data, serta konfigurasi komunikasi serial. Pengiriman data terdiri dari: Zero-Order Hold berfungsi mengatur laju pengiriman data,  data  type  conversion  berfungsi  m erubah  tipe  data  yang  akan  dikirimkan  ke  tipe  data  ‘single’,  byte  packing berfungsi  untuk  mengkonversi  sejumlah  sinyal  yang  masuk  menjadi  sebuah  vektor,  dan  serial  send  untuk pengiriman byte data. Adapun pada bagian penerima terdiri dari: Serial Receive untuk menerima data ASCII yang dikirim  oleh  Arduino  dan  sebuah  data  type  conversion  untuk  diconvert  ke  tipe  data  ‘double’.  Adapun  bagian konfigurasi  berfungsi  untuk  mengatur  berbagai  parameter  seperti  baudrate  dan  port.  Baudrate  yang  digunakan yakni sebesar 115200 bps, sementara simulasi secara keseluruhan dilakukan dengan fixed-step dengan besar waktu step 5 × 10 −6 .

## 2.2 Perancangan Mikrogrid
Mikrogrid pada penelitian ini akan dibagi kedalam beberapa sub-bagian dimana pada penelitian ini, terdapat baterai,  DC/DC  bidirectional  converter,  serta  sistem  manajemen  baterai.  Adapun  pembangkit  dan  beban  akan menjadi sub-sistem pendukung penelitian pada tahap pengujian dan validasi sistem penyimpanan energi baterai yang telah dirancang. Topologi Mikrogrid yang diajukan pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 2.
Pada  Gambar  2,  topologi  yang  digunakkan  yakni  Mikrogrid  DC  islanded  dengan  beban  serta  pembangkit energinya  adalah  tegangan  DC.  Pada  penelitian  ini,  fluktuasi  daya  yang  dibangkitkan  pembangkit  disimulasikan menyerupai pembangkit tenaga surya yang telah dilengkapi MPPT, yakni terjadi variasi tegangan akibat perubahan titik  kerja  dari  panel  surya.  Hal  ini  pun  dapat  diterapkan  secara  general  terhadap  pembangkit  energi  jenis  lain. Sementara untuk beban DC akan ditetapkan konstan sebesar 1 Ω yang terhubung dengan DC bus yang dijaga pada 400 V. Adapun bagian utama penelitian ini ada pada sistem baterai penyimpan energi. Pada sub-sistem ini, terdapat sebuah bidirectional buck and boost converter yang akan mengendalikan aliran daya antara baterai dan grid, sistem baterai dengan 5 cell serta sebuah sistem cell balancing yang akan dibahas pada sub-bab selanjutnya.

## 2.3 Spesifikasi dan Perancangan Sistem Baterai
Pada penelitian ini baterai Lithium-ion menjadi pilihan dikarenakan densitas energi yang tinggi dan menjadi tren  perkembangan  baterai  saat  ini  dan  di  masa  yang  akan  datang.  Pada  penelitian  ini,  akan  digunakan  model baterai LiFePO4 produksi Relion 51.2 V dan 200 Ah (RB48V200), dengan spesifikasi dapat dilihat pada referensi (Relion, 2021). Spesifikasi utama baterai ini dapat dilihat pada Tabel 1 dibawah.
Tabel 1. Tabel spesifikasi utama baterai.
Parameter Nilai Tegangan Nominal 51.2 V Kapasitas Nominal 200 Ah Arus Discharge Nominal 40 A (0.2C) Tahanan Dalam ≤ 50 𝑚Ω Tegangan Cut-off 40 V Tegangan Kapasitas Penuh 55 V Kapasitas Tegangan Nominal 150 Ah Tegangan Titik Eksponensial 52.611 V
Fathir M., Iskandar R. F., dan Fathonah I. W., Simulasi Hardware-in-the-Loop untuk Li-ion Battery Management System pada Mikrogrid DC, Journal of Energy, Material, and Instrumentation Technology , Vol. 2 No. 3, 2021
Parameter Nilai Kapasitas Titik Eksponensial 2.62 Ah
Dengan memasukan semua parameter pada Tabel 2.1 ke model Generic Battery pada Simulink, maka akan diperoleh  kurva  dan  persamaan  Modified  Shepherd  Model  disertai  kurva karakteristik  dischargenya seperti yang dapat dilihat pada Gambar 3.

## 2.4 Perancangan Algoritma BMS
Secara  garis  besar,  logika  pensaklaran  dan  aliran  daya  diatur  oleh  Tegangan  Bus  (VBus)  dan  SoC  baterai. Tegangan  kerja  bus  akan  diregulasi  pada  nilai  400  ±  5%  V,  sehingga  apabila  terjadi  penurunan  daya  pada pembangkit yang berimplikasi pada penurunan tegangan bus, maka besar perubahan tegangan akan dikompensasi oleh baterai sehingga tegangan bus akan kembali pada tegangan kerjanya. Sementara pada baterai, besar SoC akan dijaga pada nilai antara 20% - 90%, dimana diluar nilai itu maka baterai akan diputus dari grid dan tidak akan terjadi charging maupun discharging. Gambar 4 menggambarkan diagram alir algoritma yang dirancang.
Gambar 4. Diagram Alir Algoritma utama BMS yang diajukan.

## 2.5 Spesifikasi dan Perancangan Bidirectional Converter
Bidirectional  DC/DC  Converter  berfungsi  sebagai  interface  yang  akan  mengatur  aliran  daya  dan  regulasi tegangan maupun arus antara grid dengan baterai. Pada penelitian ini, dipilih converter dengan tipe Bidirectional Buck and Boost Converter dengan pertimbangan kompensasi yang baik antara kerumitan topologi, sistem kontrol dan spesifikasi yang diinginkan. Adapun desain Converter dapat dilihat pada Gambar 5 dibawah.
Fathir dkk, 2021/ J. Energy Mater. Instrum. Technol. Vol. 2 No. 3, 2021
Gambar 5. Rancangan Bidirectional Buck-Boost converter yang diajukan.
Pada penelitian ini, Bidirectional Buck-Boost Converter dirancang pada frekuensi pensaklaran sebesar 5 kHz. Nilai ini didapat sebagai kompensasi antara durasi simulasi dan kemampuan Arduino yang cukup terbatas dalam pengolahan dan komunikasi data. Adapun duty cycle ditentukan berada pada rentang 0 – 0.8. Nilai frekuensi dan duty cycle ini serta berbagai nilai variabel yang telah ditentukan pada sub-bagian model Mikrogrid dan Baterai akan menjadi dasar untuk menentukan nilai-nilai komponen elektronik pada Bidirectional Buck-Boost Converter dengan persamaan yang digunakan berasal dari referensi (Plotnikov & Atamankin, 2019). Untuk induktor pada mode buck dan boost, digunakan persamaan 1 dan 2.
𝐿 𝐵𝑢𝑐𝑘 = (𝑉 𝐵𝑢𝑠 − 𝑉 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑎𝑖 )𝐷 𝑀𝑎𝑥 ∆𝑖 𝐿 𝑓 𝑠𝑤 (1)
𝐿 𝐵𝑜𝑜𝑠𝑡 = 𝑉 𝐵𝑢𝑠 (1 − 𝐷 𝑀𝑎𝑥 )𝐷 𝑀𝑎𝑥 ∆𝑖 𝐿 𝑓 𝑠𝑤 (2)
Berdasarkan referensi (Plotnikov & Atamankin, 2019), besar osilasi arus ∆𝑖 𝐿 dijaga pada rentang maksimum sebesar  5%  dari  besar  arus  maksimum,  sehingga  besar  induktansi  dapat  diperoleh  dari  masing  masing  mode. Berdasarkan  beberapa  variabel  yang  telah  diperoleh  sebelumnya,  dipilih  nilai  induktor  terbesar  berasal  dari kalkulasi buck sebesar 4.6 µH. Agar terpenuhi mode konduksi kontinu (CCM), nilai induktor haruslah 25% lebih tinggi dari nilai hasil kalkulasi, sehingga dipilih nilai sebesar 5.8 µH. Adapun untuk nilai kapasitor dapat dilihat pada persamaan 3 dan 4.
𝐶 𝐵𝑢𝑐𝑘 = 𝐼 𝐶ℎ𝑎𝑟𝑔𝑖𝑛𝑔
𝐷 𝑀𝑖𝑛 (1 − 𝐷 𝑀𝑖𝑛 ) ∆𝑉 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑎𝑖 𝑓 𝑠𝑤 (3)
𝐶 𝐵𝑜𝑜𝑠𝑡 = 𝐼 𝐿𝑜𝑎𝑑 𝐷 𝑀𝑎𝑥 ∆𝑉 𝐵𝑢𝑠 𝑓 𝑠𝑤 (4)
Dari hasil kalkulasi diperoleh nilai kapasitansi buck sebesar 8.1 mF dan boost sebesar 6.4 mF. Untuk alasan keamanan, diambil nilai sebesar 9 mF untuk Buck dan 7 mF untuk Boost.

## 2.6 Perancangan Cell Balancing
Cell Balancing merupakan rangkaian yang berfungsi untuk memastikan bahwa SoC dari setiap cell  baterai tidak terjadi perbedaan yang signifikan dan mengurangi kapasitas serta umur pemakaian baterai. Pada penelitian ini, cell balancing yang dipilih adalah kategori pasif, dengan tipe switched shunting resistor. Pemilihan ini karena kesederhanaan  mekansime  balancing  berdasarkan  disipasi  daya  pada  resistor  serta  jumlah  switch  yang  harus dikontrol relatif cukup sedikit dibandingkan dengan kategori aktif, sehingga cocok untuk embedded system yang terbatas  kemampuannya  seperti  Arduino.  Adapun  diagram  alir  algoritma  cell  balancing  ini  dapat  dilihat  pada Gambar 7 dibawah.
Gambar 7. (a) Diagram Alir algoritma cell balancing dan (b) Cell Balancing dirancang pada Simulink.
Pada diagram alir 6(a), cell balancing diinisiasi beberapa variabel baru, yakni: SoC minimum (SoC[min]), selisih minimum SoC ( 𝛿𝑆𝑜𝐶 ) dan jumlah cell ( 𝑛 ). SoC[min] merupakan nilai SoC terendah diantara susunan seri dari cell dan 𝛿𝑆𝑜𝐶 merupakan  besar  selisih  yang  diperbolehkan  antara  SoC  cell  lain  dengan  SoC  cell  terendah.  Dengan algoritma diatas, maka cell dengan SoC yang lebih besar dari selisih yang diperbolehkan akan diturunkan dengan mengaktifkan saklar sehingga energi dari cell akan terdisipasi pada hambatan. Pada penelitian ini jumlah cell yang digunakan sebanyak 3 dan 𝛿𝑆𝑜𝐶 sebesar 0.1%. Adapun desain skematik sistem cell balancing beserta baterai ini dapat dilihat pada Gambar 6(b). Pada sistem diatas, Mosfet digunakan sebagai perangkat saklar yang dikendalikan
Fathir M., Iskandar R. F., dan Fathonah I. W., Simulasi Hardware-in-the-Loop untuk Li-ion Battery Management System pada Mikrogrid DC, Journal of Energy, Material, and Instrumentation Technology , Vol. 2 No. 3, 2021
oleh sinyal kontrol, dimana sinyal kontrol ini berasal dari embedded system. Untuk kalkulasi besar hambatan yang akan digunakkan, diinginkan arus yang mengalir pada resistor bleeder adalah sebesar 𝐶 100 ⁄ untuk hasil optimal antara waktu balancing dan efisiensi (Amin et al., 2017). Karena kapasitas baterai yang dipilih sebesar 200 Ah, maka besar  arus  yang  diinginkan  yakni  2A.  Dengan  tegangan  nominal  baterai  51.2  V,  maka  diperoleh  resistansi  yang diinginkan  menggunakan  Hukum  Ohm  sebesar  25.6  Ω.  Untuk  mengetahui  performansi  efisiensi  energi  dari  cell balancing, maka digunakkan persamaan (5) dibawah.
𝜂 = 𝐸 𝑀𝑎𝑠𝑢𝑘 − 𝐸 𝑇𝑒𝑟𝑏𝑢𝑎𝑛𝑔 𝐸 𝑀𝑎𝑠𝑢𝑘 × 100% (5)

## 3. Hasil Dan Pembahasan
Pada  bagian  ini,  setiap  sub-sistem  akan  diuji  secara  individual  untuk  selanjutnya  diuji  secara  terintegrasi. Terdapat  dua  pengujian  yang  akan  dilakukan  yakni  pengujian  cell  balancing  dan  sistem  terintegrasi  dengan pengujian pada kondisi normal dan variasi SoC diluar kondisi normal.

## 3.1 Pengujian Cell Balancing
Pada  pengujian  ini,  nilai  SoC  beberapa  cell  akan  dinaikkan  secara  acak  untuk  kemudian  dilihat  pengaruh algoritma cell balancing terhadap baterai, lama waktu balancing setiap cell, serta estimasi energi yang terdisipasi pada  resistor  bleed  pada  dua  keadaan  yakni  charging  dan  idle.  Untuk  kebutuhan  simulasi  ini,  besar  kapasitas baterai  akan  diturunkan  skalanya 1 200 ⁄ kali  dari  kapasitas  awal  menjadi  1  Ah  untuk  memperpendek  waktu simulasi. Selain itu, berdasarkan hasil yang diperoleh pada Sub-bab 4.1, waktu cuplik Arduino dinaikkan menjadi 0.05 s untuk meminimalisir error. Gambar 11 menunjukan kurva nilai SoC setiap cell baterai saat mode charging dan idle.
Gambar 11. Kurva SoC (a) Dalam kondisi charging dengan sumbu y dalam skala log dan (b) dalam kondisi idle
Pada  pengujian  ini,  SoC  awal  setiap  cell  divariasikan  sebesar  0.2%  dengan  nilai  terendah  50%  dan  arus charging  dijaga  konstan  pada  100  A.  Dengan  besar  perbedaan  terkecil  SoC  yang  diperbolehkan  adalah  0.1%, algoritma  yang  diimplementasikan  telah  berhasil  menjaga  SoC  setiap  cell  dalam  rentang  yang  diinginkan. Berdasarkan hasil simulasi yang telah dilakukan penskalaan beberapa parameter, diperoleh waktu yang dibutuhkan untuk seluruh cell mencapai keadaan setimbang pada rentang 0.1% dari nilai minimum adalah sebesar 11.997 s. Dengan mengembalikan nilai skala kapasitas baterai, maka diperoleh waktu yang dibutuhkan untuk seluruh cell setimbang adalah 2399.4 s. Kemudian Gambar 11 (b) adalah hasil pengujian pada kondisi idle.
Pada pengujian idle ini, variasi cell dan SoC terendah persis sama dengan pengujian proses charging, namun dengan kondisi tidak charging dan discharging. Pada pengujian ini, seluruh cell mampu balancing hingga mencapai rentang 𝛿 SoC  sebesar  0.1%.  Berdasarkan  hasil  simulasi,  seluruh  cell  mampu  setimbang  dalam  rentang  waktu 12.344 s, atau dengan mengembalikan skala kapasitas baterai akan didapat waktu selama 2468.8 s atau 41 menit. Rincian lama waktu balancing setiap cell pada kedua mode dapat dilihat pada Tabel 2 dan 3 dibawah.
Tabel 2. Lama waktu balancing dalam keadaan charging
Cell Ke-  SoC Awal (%) SoC Akhir Setimbang (%) SoC Rata-rata (%) Waktu Balancing 01 50 - - - 02 50.2 55.0 52.583 350.6 03 50.4 64.6 57.500 1044.2 04 50.6 74.1 62.531 1728.2 05 50.8 83.4 67.114 2399.4 Tabel 3. Lama waktu balancing dalam keadaan idle Cell Ke-  SoC Awal (%) SoC Akhir Setimbang (%) SoC Rata-rata (%) Waktu Balancing 01 50 - - - 02 50.2 50.1 50.150 352.6 03 50.4 50.1 50.249 1058.2 04 50.6 50.1 50.350 1762.8
Fathir dkk, 2021/ J. Energy Mater. Instrum. Technol. Vol. 2 No. 3, 2021
Cell Ke-  SoC Awal (%) SoC Akhir Setimbang (%) SoC Rata-rata (%) Waktu Balancing 05 50.8 50.1 50.449 2468.8
Selanjutnya akan dianalisis rugi-rugi energi yang terjadi pada metode diatas. Berdasarkan data Bab 2, nilai tegangan  nominal  baterai  sebesar 51.2  V  dan  resistansi  25.6  Ω menghasilkan  daya  disipasi  setiap  resistor  bleed sebesar 102.4 W. Berdasarkan data disipasi daya serta lama waktu balancing pada Tabel 2 dan 3, maka diperoleh energi yang terdisipasi pada setiap cell pada kedua mode seperti yang dapat dilihat pada Tabel 4 dibawah.
Tabel 4. Lama waktu balancing dalam keadaan charging dan idle
Cell Ke- Disipasi Energi Charging (Wh) Disipasi Energi Idle (Wh) 02 9.973 10.029 03 29.702 30.099 04 49.158 50.142 05 68.250 70.224 Total 157.083 160.494
Berdasarkan  hasil  Tabel  2  dan  3,  dapat  dilihat  bahwa  dengan  menggunakan  metode  Switched  Shunting Resistor dengan pemilihan besar resistor seperti pada Bab 2 menghasilkan lama waktu balancing yang relatif lama untuk perbedaan SoC yang tidak signifikan, namun energi yang terdisipasi relatif kecil. Hal ini dapat dibuktikan berdasarkan nilai efisiensi energi mengacu pada persamaan (5) sehingga didapat hasil seperti dibawah,
𝜂 = 𝐸 𝑀𝑎𝑠𝑢𝑘 − 𝐸 𝑇𝑒𝑟𝑏𝑢𝑎𝑛𝑔 𝐸 𝑀𝑎𝑠𝑢𝑘 × 100% = 𝑉 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑎𝑖 𝐼 𝐶ℎ𝑎𝑟𝑔𝑖𝑛𝑔 𝑡 𝐵𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑖𝑛𝑔 − ∑ 𝐸 𝑇𝑒𝑟𝑏𝑢𝑎𝑛𝑔 𝑉 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑎𝑖 𝐼 𝐶ℎ𝑎𝑟𝑔𝑖𝑛𝑔 𝑡 𝐵𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑖𝑛𝑔 × 100% = 99.0%
𝜂 = 𝐸 𝑀𝑎𝑠𝑢𝑘 − 𝐸 𝑇𝑒𝑟𝑏𝑢𝑎𝑛𝑔 𝐸 𝑀𝑎𝑠𝑢𝑘 × 100% = ∑ 𝑆𝑜𝐶 ∙ 𝑉 𝐶𝑒𝑙𝑙 𝐶 𝐶𝑒𝑙𝑙 − ∑ 𝐸 𝑇𝑒𝑟𝑏𝑢𝑎𝑛𝑔 ∑ 𝑆𝑜𝐶 ∙ 𝑉 𝐶𝑒𝑙𝑙 𝐶 𝐶𝑒𝑙𝑙 × 100% = 99.4%
Dari hasil diatas, didapat bahwa efisiensi energi pada cell balancing untuk baterai  yang berada dalam mode idle sedikit lebih tinggi dibandingkan saat mode charging. Hal ini terjadi dikarenakan saat mode charging, tegangan cell  meningkat  dengan  meningkatnya  SoC  Cell  sehingga  arus  bleed  sedikit  lebih  tinggi.  Hal  ini  juga  dapat menjelaskan mengapa rata rata SoC dan waktu balancing pada mode charging perlahan menurun sementara pada idle relatif linier.

## 3.2 Pengujian Sistem Terintegrasi
Setelah  setiap  sistem  yang  telah  dirancang  diuji  dan  memenuhi  spesifikasi  yang  diinginkan  pada  sub-bab sebelumnya, maka terakhir akan diuji setelah seluruh sub-sistem terintegrasi. Sistem secara keseluruhan dapat dilihat pada Gambar 12.
Gambar 12. Skema rangkaian Simulasi keseluruhan.
Simulasi akan dilakukan dengan  waktu cuplik Arduino dinaikkan menjadi 0.2 s dikarenakan jumlah input data yang akan ditransfer sebesar 8 (Tegangan pembangkit, tegangan bus, arus baterai, SoC cell) dan yang diterima hingga 10 data (Duty Cycle Buck dan Boost, saklar kontrol SoC cell, saklar kontrol aliran daya dan sinyal untuk error checking). Untuk menguji sistem terintegrasi ini, variable tegangan pembangkit dan SoC akan  divariasikan pada kasus-kasus ekstrim untuk kemudian dianalisis respon tegangan bus, arus baterai, SoC baterai dan state dari
Fathir M., Iskandar R. F., dan Fathonah I. W., Simulasi Hardware-in-the-Loop untuk Li-ion Battery Management System pada Mikrogrid DC, Journal of Energy, Material, and Instrumentation Technology , Vol. 2 No. 3, 2021
switch. Respon berupa grafik yang dihasilkan ini kemudian akan dibandingkan dengan spesifikasi yang diinginkan untuk kemudian ditarik kesimpulan apakah sistem yang dibangun telah memenuhi tujuan ataupun tidak.
Kasus operasi normal (20% ≤ SoC < 90%)
Pada percobaan operasi normal, besar SoC sistem baterai akan berada pada rentang kerja normalnya yakni 20-90% dengan besar tegangan pembangkit berubah-ubah untuk mensimulasikan pembangkit energi terbarukan seperti dapat dilihat pada Gambar 13. Tegangan berubah dengan nilai antara 0-400 V, dimana nilai tegangan pada saat t = 0 s bernilai 0 V dan perlahan naik kemudian konstan pada 200 V dan mencapai maksimal pada 400 V. Kemudian tegangan turun sejenak ke 350 V sebelum kembali ke 400 V dan akhirnya turun perlahan hingga 0 V.
Gambar 13. Grafik fluktuasi tegangan sumber energi terbarukan.
Dari besar perubahan tegangan tersebut, kemudian Microgrid disimulasikan dalam rentang waktu 5 s hingga dihasilkan nilai tegangan bus, arus charging/ discharging baterai serta perubahan switch seperti yang dapat dilihat pada Gambar 14.
Gambar 14. Respon tegangan bus, arus charging dan discharging baterai serta keadaan switch sumber ke bus.
Dapat dilihat pada Gambar 14 baik tegangan bus, arus maupun switch state memiliki respon sesuai dengan yang diinginkan dengan konstanta PI untuk mode buck ialah Kp = 10 dan Ki = 0.5, serta mode boost Kp = 0.2 dan Ki = 0.5. Pada saat Microgrid mulai beroperasi, nilai tegangan masih dibawah rentang tegangan yang diinginkan (400 ± 20 V) sehingga switch yang menghubungkan sumber ke bus dalam keadaan open, dan bus akan disupply oleh baterai yang berada dalam keadaan discharge. Adapun switch BESS ke bus selalu dalam keadaan open karena berada pada rentang kerja SoC baterai. Pada saat awal beroperasi, nilai tegangan berhasil mencapai setpoint 400 V dengan karakteristik responnya: overshoot 0%, rise time 0.0257 s, settling time 0.0807 s serta error steady-state 0.46%. Riak tegangan yang timbul yakni sebesar 0.9% dengan rentang nilai diantara 396.43~400 V Adapun respon transien  yang  timbul  pada  0.8  s,  1.5  s  dan  1,4  s  dikarenakan  error  dan  loss  data  pada  komunikasi,  bukan dikarenakan respon terhadap sistem. Kemudian saat nilai tegangan sumber mencapai nilai ≥ 380 V, state switch berubah dari ‘0’ ke ‘1’ atau ‘closed’ sehingga bus akan dicatu oleh sumber dan baterai berubah dari discharging ke
Fathir dkk, 2021/ J. Energy Mater. Instrum. Technol. Vol. 2 No. 3, 2021
mode charging. Respon arus charging ini memiliki nilai overshoot 15%, nilai rise time (diukur dari 0 A) 0.008 s, settling time 0.1313 s dan error steady-state 0.15 %. Besar riak yang timbul yakni 0.7% dengan rentang nilai antara 99.8~100.5 A. Namun, ketika terjadi penurunan tegangan sumber kembali dan state switch kembali pada kondisi ‘open’, terjadi gejala transien dimana nilai tegangan turun secara drastis hingga 120 V (undershoot 70%) dan kembali stabil pada 400 V dengan clearing time 0.049 s. Hal ini terjadi setiap kali switch kembali ke kondisi ‘open’ atau setiap baterai beralih dari mode charging ke discharging.

## Kasus operasi saat SoC baterai berada pada SoC maksimum ( ≥ 𝟗𝟎%)
Gambar 15. Respon tegangan bus, arus charging dan discharging baterai serta keadaan switch sumber ke bus dan BESS ke bus.
Pada  kasus  ini,  SoC  baterai  disimulasikan  berada  diatas  SoC  maksimum  yang  diperbolehkan  yang  telah ditentukan  pada  Algoritma  BMS.  Pada  kondisi  ini,  baterai  haruslah  dalam  keadaan  idle  saat  sumber  mampu menyupply beban dan discharging saat sumber tidak dapat memenuhi rentang tegangan yang diinginkan. Gambar 15 menunjukan respon tegangan bus, arus baterai, state switch sumber dan state switch dari bus ke BESS. Pada Gambar 15, respon arus dan tegangan pada saat awal Microgrid beroperasi persis saat operasi normal dengan switch sumber ke beban dalam keadaan open dan beban disupply oleh sistem baterai. Respon tegangan yang dihasilkan saat awal beroperasi pun serupa dengan besaran konstanta PI yang persis sama, namun terjadi pergeseran nilai error  steady-state  yakni  sebesar  0.34%  atau  mengalami  penurunan  relatif  kecil  dibandingkan  operasi  normal. Adapun  riak  gelombang  tegangan  ialah  sebesar  0.9%  berada  pada  rentang  399.6~403.19  V.  Ketika  tegangan pembangkit  telah  mencapai  rentang  kerja ≥ 380  V,  dikarenakan  SoC  baterai  masih  berada  diatas  nilai  SoC maksimum yang diperbolehkan, maka switch yang menghubungkan baterai ke beban (Switch 02) akan langsung berubah dari state ‘1’ ke ‘0’ sehingga baterai masuk kondisi idle, dengan kata lain sumber energi terbarukan hanya mencatu  beban  saja.  Pada  kondisi  ini  tidak  terdapat  transien  tegangan  yang  terjadi.  Namun,  ketika  terjadi penurunan  tegangan  kembali  pada  pembangkit,  switch  state  baterai  ke  beban  kembali  ke  state  ‘1’  (closed)  dan kemudian terjadi gejala transien tegangan hingga mencapai tegangan sebesar 862.9 V atau overshoot hingga 115% dan undershoot tegangan 120.8 V atau 69.8%. Clearing time yang terjadi hingga tegangan kembali pada keadaan stabilnya yakni 0.079 s. Hal ini pun kembali terjadi lagi saat perubahan state switc h 02 dari ‘1’ ke ‘0’ atau open kedua kalinya dengan nilai overshoot, undershoot dan clearing time sama.
Kasus operasi saat SoC baterai berada pada SoC minimum ( < 𝟐𝟎%)
Fathir M., Iskandar R. F., dan Fathonah I. W., Simulasi Hardware-in-the-Loop untuk Li-ion Battery Management System pada Mikrogrid DC, Journal of Energy, Material, and Instrumentation Technology , Vol. 2 No. 3, 2021
Gambar 16. Respon tegangan bus, arus charging dan discharging baterai serta keadaan switch sumber ke bus dan BESS ke bus.
Pada  kasus  ini,  SoC  baterai  disimulasikan  berada  dibawah  SoC  minimum  yang  diperbolehkan  yang  telah ditentukan pada Algoritma BMS. Pada kondisi ini, baterai haruslah dalam keadaan charging saat sumber mampu menyupply beban dan baterai, serta dalam keadaan idle saat sumber tidak dapat memenuhi rentang tegangan yang diinginkan. Gambar 16 menunjukan respon tegangan bus, arus baterai, state switch sumber dan state switch dari bus ke BESS. Pada awal Microgrid beroperasi, baik  tegangan yang belum memenuhi rentang tegangan kerja grid (400  ±  20  V)  dan  SoC  baterai  yang  berada  pada  batas  bawah  SoC  minimum  agar  baterai  dapat  melakukan discharging mengakibatkan kondisi dimana beban tidak tersupply daya sama sekali atau blackout. Hal ini selalu terjadi jika tegangan pembangkit berada di bawah batas yang diinginkan. Adapun saat tegangan pembangkit berada pada rentang 400 ± 20 V, maka switch state 01 dan switch state 02 berpindah state dari ‘0’ ke ‘1’ atau closed, dimana pembangkit akan menyupply beban dan charging baterai. Adapun respon arus charging ini yakni overshoot 0%, rise time 0.3245 s, settling time 0.5258 s dan error steady-state yakni 1.975%. Adapun riak arus yang terjadi adalah sebesar 1.93% pada rentang nilai 97.06~98.99 A. Nilai yang sama juga didapat pada saat arus charging untuk kedua kalinya  seperti  yang  dapat  dilihat  pada  Gambar  16.  Seluruh  respon  nilai  tegangan  dan  arus  hasil  percobaan dirangkum pada Tabel 5 dibawah.
Tabel 5. Respon tegangan bus dan arus charging baterai pada berbagai kasus Kasus Parameter % OS (%) T Rise (s) T Settling (s) e s-s (%) Riak (%) Normal V Bus 0 0.0257 0.0807 0.4600 0.9000 I Charge 15.000 0.008 0.1313 0.15 0.7 SoC ≥ 90% V Bus 0 0.0257 0.0807 0.3400 0.9000 I Charge Tidak ada pengisian arus baterai SoC < 20% V Bus Mikrogrid dalam kondisi blackout I Charge 0 0.3245 0.5258 1.9750 1.9300
Berdasarkan hasil yang diperoleh pada Tabel 5, akan dibandingkan nilai setiap parameter (VBus dan ICharge) berdasarkan rancangan yang telah dibuat pada Bab 2. Berdasarkan datasheet [25], nilai overshoot yang terjadi saat arus charging dalam mode normal berada dalam batas aman charging (< 100 A). Selanjutnya ialah riak baik VBus dan ICharge yang telah sesuai dengan batas rancangan, yakni 10% untuk tegangan dan 5% untuk arus. Respon waktu  dan  error  steady-state  yang  dihasilkan  pun  sudah  cukup  baik,  namun  yang  menjadi  perhatian  ialah menurunnya performansi respon arus saat SoC berada dibawah SoC minimum. Selain itu adanya transien tegangan yang sangat signifikan yakni undershoot 70% pada mode normal dan overshoot 115% pada saat SoC baterai diatas SoC maksimum harus ditangani dengan ditambahkan perangkat peredam transien pada bus Mikrogrid.

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan simulasi yang telah dilakukan pada Matlab-Simulink® diperoleh kesimpulan sebagai berikut:
1. Telah berhasil dirancang dan dianalisis sebuah sistem baterai dan cell balancing pada kedua mode yakni charging dan idle berbasis simulasi HIL. Dari pengujian diperoleh waktu balancing untuk mode charging lebih cepat dari idle dengan efisiensi untuk mode charging adalah 99% dan idle 99.4%. Dari hasil ini dapat disimpulkan sistem yang dirancang memiliki efisiensi energi yang tinggi namun dengan waktu balancing yang relatif lama untuk perbedaan SoC yang tidak begitu signifikan;
2. Telah berhasil dirancang dan dianalisis sistem Mikrogrid terintegrasi berbasis simulasi HIL dengan variabel bebas  tegangan  sumber  energi  terbarukan  dan  variasi  SoC.  Dari  hasil  analisis  diperoleh  sistem  telah bekerja sesuai dengan algoritma BMS yang dirancang dan memiliki performansi respon baik tegangan bus,
Fathir dkk, 2021/ J. Energy Mater. Instrum. Technol. Vol. 2 No. 3, 2021
arus baterai dan switch yang sangat baik. Namun terdapat gejala transien yang cukup signifikan terjadi pada  pergantian  mode  dari  charging  dan  discharging  akibat  pembuangan  energi  dari  induktor  dan kapasitor ke beban.

## 5. Daftar Pustaka
Amin, Ismail, K., Nugroho, A., & Kaleg, S. (2017). Passive balancing battery management system using MOSFET internal resistance as balancing resistor. Proceeding - ICSEEA 2017 International Conference on Sustainable Energy Engineering and Application: &quot;Continuous Improvement of Sustainable Energy for Eco- Mobility&quot; , 2018 - Janua , 151 – 155. https://doi.org/10.1109/ICSEEA.2017.8267701
Biswas, S. P., Hosain, M. K., & Rahman, M. W. (2018). Real-time arduino based simulator enabled hardware-in- the-loop electric DC machine drive system. 5th IEEE Region 10 Humanitarian Technology Conference 2017, R10-HTC 2017 , 2018 - Janua (November 2020), 823 – 826. https://doi.org/10.1109/R10-HTC.2017.8289082
Car, M., Vasak, M., & Lesic, V. (2017). Control of a buck-boost DC-DC power converter for microgrid energy storage. International Conference on Electical Drives and Power Electronics , 2017 - October . https://doi.org/10.1109/EDPE.2017.8123267
Kim, D. K., Yoneoka, S., Banatwala, A. Z., & Kim, Y. (2018). Handbook on Battery Energy Storage System (Issue December). https://www.adb.org/publications/battery-energy-storage-system-handbook
Plotnikov, I., & Atamankin, G. (2019). Selecting Components for Bidirectional DC-DC Converter of Photovoltaic Power Supply System. Proceedings - 2019 IEEE Russian Workshop on Power Engineering and Automation of Metallurgy Industry: Research and Practice, PEAMI 2019 , 64 – 69. https://doi.org/10.1109/PEAMI.2019.8915133
Relion. (2021). RB48V200 . 20 – 21.
Winasis, Suroso, Prasetijo, H., & A. K., A. N. (2018). Analisis Sistem Mikrogrid DC Photovoltaic Terhubung Jala- jala. Seminar Nasional Teknik Elektro , 44 – 49.